Perfomance Analysis and Resource Optimisation of Critical Systems Modelled by Petri Nets
Ricardo Julio Rodríguez Fernández, José Javier Merseguer Hernáiz, Jorge Bueno · Dialnet (Universidad de la Rioja) · 2013
UN SISTEMA CRITICO DEBE CUMPLIR CON SU MISION A PESAR DE LA PRESENCIA DE PROBLEMAS DE SEGURIDAD. ESTE TIPO DE SISTEMAS SE SUELE DESPLEGAR EN ENTORNOS HETEROGENEOS, DONDE PUEDEN SER OBJETO DE INTENTOS DE INTRUSION, ROBO DE INFORMACION CONFIDENCIAL U OTRO TIPO DE ATAQUES. LOS SISTEMAS, EN GENERAL, TIENEN QUE SER REDISENADOS DESPUES DE QUE OCURRA UN INCIDENTE DE SEGURIDAD, LO QUE PUEDE CONDUCIR A CONSECUENCIAS GRAVES, COMO EL ENORME COSTO DE REIMPLEMENTAR O REPROGRAMAR TODO EL SISTEMA, ASI COMO LAS POSIBLES PERDIDAS ECONOMICAS. ASI, LA SEGURIDAD HA DE SER CONCEBIDA COMO UNA PARTE INTEGRAL DEL DESARROLLO DE SISTEMAS Y COMO UNA NECESIDAD SINGULAR DE LO QUE EL SISTEMA DEBE REALIZAR (ES DECIR, UN REQUISITO NO FUNCIONAL DEL SISTEMA). ASI PUES, AL DISENAR SISTEMAS CRITICOS ES FUNDAMENTAL ESTUDIAR LOS ATAQUES QUE SE PUEDEN PRODUCIR Y PLANIFICAR COMO REACCIONAR FRENTE A ELLOS, CON EL FIN DE MANTENER EL CUMPLIMIENTO DE REQUERIMIENTOS FUNCIONALES Y NO FUNCIONALES DEL SISTEMA. A PESAR DE QUE LOS PROBLEMAS DE SEGURIDAD SE CONSIDEREN, TAMBIEN ES NECESARIO TENER EN CUENTA LOS COSTES INCURRIDOS PARA GARANTIZAR UN DETERMINADO NIVEL DE SEGURIDAD EN SISTEMAS CRITICOS. DE HECHO, LOS COSTES DE SEGURIDAD PUEDE SER UN FACTOR MUY RELEVANTE YA QUE PUEDE ABARCAR DIFERENTES DIMENSIONES, COMO EL PRESUPUESTO, EL RENDIMIENTO Y LA FIABILIDAD. MUCHOS DE ESTOS SISTEMAS CRITICOS QUE INCORPORAN TECNICAS DE TOLERANCIA A FALLOS (SISTEMAS FT) PARA HACER FRENTE A LAS CUESTIONES DE SEGURIDAD SON SISTEMAS COMPLEJOS, QUE UTILIZAN RECURSOS QUE PUEDEN ESTAR COMPROMETIDOS (ES DECIR, PUEDEN FALLAR) POR LA ACTIVACION DE LOS FALLOS Y/O ERRORES PROVOCADOS POR POSIBLES ATAQUES. ESTOS SISTEMAS PUEDEN SER MODELADOS COMO SISTEMAS DE EVENTOS DISCRETOS DONDE LOS RECURSOS SON COMPARTIDOS, TAMBIEN LLAMADOS SISTEMAS DE ASIGNACION DE RECURSOS. ESTA TESIS SE CENTRA EN LOS SISTEMAS FT CON RECURSOS COMPARTIDOS MODELADOS MEDIANTE REDES DE PETRI (PETRI NETS, PN). ESTOS SISTEMAS SON GENERALMENTE TAN GRANDES QUE EL CALCULO EXACTO DE SU RENDIMIENTO SE CONVIERTE EN UNA TAREA DE CALCULO MUY COMPLEJA, DEBIDO AL PROBLEMA DE LA EXPLOSION DEL ESPACIO DE ESTADOS. COMO RESULTADO DE ELLO, UNA TAREA QUE REQUIERE UNA EXPLORACION EXHAUSTIVA EN EL ESPACIO DE ESTADOS ES INCOMPUTABLE (EN UN PLAZO PRUDENCIAL) PARA SISTEMAS GRANDES. LAS PRINCIPALES APORTACIONES DE ESTA TESIS SON TRES. PRIMERO, SE OFRECEN DIFERENTES MODELOS, USANDO EL LENGUAJE UNIFICADO DE MODELADO (UNIFIED MODELLING LANGUAGE, UML) Y LAS REDES DE PETRI, QUE AYUDAN A INCORPORAR LAS CUESTIONES DE SEGURIDAD Y TOLERANCIA A FALLOS EN PRIMER PLANO DURANTE LA FASE DE DISENO DE LOS SISTEMAS, PERMITIENDO ASI, POR EJEMPLO, EL ANALISIS DEL COMPROMISO ENTRE SEGURIDAD Y RENDIMIENTO. EN SEGUNDO LUGAR, SE PROPORCIONAN VARIOS ALGORITMOS PARA CALCULAR EL RENDIMIENTO (TAMBIEN BAJO CONDICIONES DE FALLO). MEDIANTE EL CALCULO DE COTAS DE RENDIMIENTO SUPERIORES, EVITANDO ASI EL PROBLEMA DE LA EXPLOSION DEL ESPACIO DE ESTADOS. POR ULTIMO, SE PROPORCIONAN ALGORITMOS PARA CALCULAR COMO COMPENSAR LA DEGRADACION DE RENDIMIENTO QUE SE PRODUCE ANTE UNA SITUACION INESPERADA EN UN SISTEMA CON TOLERANCIA A FALLOS. CONCLUSIONES EN ESTE TRABAJO SE HAN AFRONTADO LOS PROBLEMAS DE DISENO Y ANALISIS EN SISTEMAS CRITICOS QUE REQUIEREN CUMPLIR SUS MISIONES A PESAR DE LA PRESENCIA DE PROBLEMAS DE SEGURIDAD. ESTOS SISTEMAS PUEDEN SER MODELADOS COMO SISTEMAS DE EVENTOS DISCRETOS DONDE LOS RECURSOS SON COMPARTIDOS, TAMBIEN LLAMADOS SISTEMAS DE ASIGNACION DE RECURSOS. ESTA DISERTACION SE CENTRA EN LOS SISTEMAS TOLERANTES A FALLOS (SISTEMAS FT) QUE USAN RECURSOS COMPARTIDOS MODELADOS MEDIANTE REDES DE PETRI -- CONCRETAMENTE, CON REDES DE PETRI DE PROCESOS (PROCESS PETRI NETS). LOS PROBLEMAS DE SEGURIDAD QUE PUEDEN AFECTAR A ESTE TIPO DE SISTEMAS INEVITABLEMENTE CONSUMIRAN SUS RECURSOS, POR LO QUE EL RENDIMIENTO, O INCLUSO SU TOTAL OPERABILIDAD, PUEDEN VERSE AFECTADOS. ESTE TRABAJO HA AVANZADO EN ESTE COMPROMISO ENTRE SEGURIDAD Y RENDIMIENTO. SE DIVIDE EN CUATRO GRANDES PARTES. EN LA PRIMERA PARTE, SE PROPONEN UNA SERIE DE MODELOS QUE TRATAN DE TRAER LA SEGURIDAD A PRIMER PLANO DURANTE EL DISENO DE LOS SISTEMAS. ESTOS SISTEMAS SON USUALMENTE TAN GRANDES QUE EL CALCULO DE SU RENDIMIENTO EXACTO SE CONVIERTE EN UNA TAREA ALTAMENTE COMPLEJA, DEBIDO AL CONOCIDO PROBLEMA DE EXPLOSION DEL ESPACIO DE ESTADOS. ESTO PROVOCA QUE UNA TAREA QUE REQUIERE UNA BUSQUEDA EXHAUSTIVA EN EL ESPACIO DE ESTADOS SE VUELVA INCOMPUTABLE EN UN TIEMPO RAZONABLE PARA SISTEMAS GRANDES. LA SEGUNDA PARTE DE ESTE TRABAJO SE CENTRA EN EL ANALISIS DE RENDIMIENTO (TAMBIEN BAJO CONDICIONES DE FALLO) Y DE OPTIMIZACION DE RECURSOS EN SISTEMAS FT. LA TERCERA PARTE DE ESTE TRABAJO PONE EN PRACTICA MEDIANTE DOS EJEMPLOS PRACTICOS TODOS LOS METODOS Y MODELOS DESARROLLADOS EN LAS DOS PARTES ANTERIORES. TAMBIEN SE MUESTRA LA APLICABILIDAD DE LOS METODOS DESARROLLADOS EN EL DOMINIO DE APLICACION DE LOS WORKFLOWS CIENTIFICOS. LA ULTIMA PARTE DE ESTE TRABAJO PRESENTA LA HERRAMIENTA PEABRAIN (?PERFORMANCE ESTIMATION BASED (ON) BOUNDS (AND) RESOURCE OPTIMISATION (FOR PETRI) NETS?). PEABRAIN ES UNA EXTENSION DE LA HERRAMIENTA PIPE QUE IMPLEMENTA ALGUNOS DE LOS METODOS PRESENTADOS EN LA PARTE SEGUNDA DE ESTE TRABAJO. PRINCIPALES CONTRIBUCIONES ESTA SECCION RESUME LAS PRINCIPALES CONTRIBUCIONES DE ESTE TRABAJO QUE SE HAN IDENTIFICADO: * ESPECIFICACION DE SEGURIDAD COMO UNA PROPIEDAD NO FUNCIONAL EN LOS DIAGRAMAS UML. EL PERFIL DE UML QUE SE HA DESARROLLADO, DE NOMBRE SECAM, PRESENTA UN PODEROSO MARCO UML PARA LA ESPECIFICACION Y EL ANALISIS DE SEGURIDAD EN DIAGRAMAS UML. SECAM PERMITE CONSIDERAR LA SEGURIDAD DESDE LAS ETAPAS TEMPRANAS EN EL CICLO DE DESARROLLO DE SOFTWARE Y SISTEMAS, PERMITIENDO ASI EL ANALISIS DE SEGURIDAD ANTES DE LA FASE DE DESPLIEGUE. * MODELOS UML REPRESENTANDO TECNICAS DE TOLERANCIA A FALLOS (FT). ESTE TRABAJO PROPONE ALGUNOS MODELOS PARA REPRESENTAR LAS TECNICAS FT MAS COMUNES. LA IDEA DETRAS DE ESTOS MODELOS ES LA POSIBILIDAD DE COMBINAR ESTOS MODELOS CON DISENOS SOFTWARE PARA ANALISIS DE PROPIEDADES DE DEPENDABILITY. LA FACIL INTEGRACION DE ESTOS MODELOS PROPUESTOS EN EL DISENO DE SISTEMAS SOFTARE PERMITIRIA PODER PROBAR DIFERENTES SOLUCIONES CON EL OBJETIVO DE AVERIGUAR CUAL SE AJUSTA MEJOR A LAS NECESIDADES PARTICULARES. * ESTIMACION CUANTITATIVA DEL COMPROMISO RENDIMIENTO-SEGURIDAD EN SISTEMAS CRITICOS. SE HA PROPUESTO UNA METODOLOGIA BASADA EN MODELOS QUE PERMITE ESTIMAR DE MANERA CUANTITATIVA EL RENDIMIENTO DEL SISTEMA CUANDO SE INTRODUCEN TANTO TECNICAS FT COMO MECANISMOS DE SEGURIDAD. EL OBJETIVO PRINCIPAL DE ESTA METODOLOGIA ES CONSEGUIR ENCONTRAR, EN FASE DE DISENO, LAS ESTRATEGIAS DE SEGURIDAD QUE PERMITEN SEGUIR CUMPLIENDO LOS REQUISITIOS DE SEGURIDAD EN EL SISTEMA. * ESTIMACION PRECISA DEL THROUGHPUT DEL SISTEMA MEDIANTE TECNICAS DE COTAS. SE HAN PROPUESTOS DOS METODOS QUE SE PUEDEN APLICAR A DOS CLASES CONCRETAS DE REDES DE PETRI (STOCHASTIC MARKED GRAPHS Y PROCESS PETRI NETS) PARA CALCULAR UNAS COTAS SUPERIORES DE THROUGHPUT MAS PRECISAS QUE LAS QUE SE PUEDEN OBTENER CON OTROS METODOS. AMBOS METODOS SON ALGORITMOS ITERATIVOS QUE HACE USO DE TECNICAS DE PROGRAMACION LINEAL, PRESENTANDO ASI UN BUEN COMPROMISO ENTRE PRECISION Y EFICIENCIA. * COMPENSACION DE LA DEGRADACION DEL THROUGHPUT EN SISTEMAS FT. SE HAN PROPUESTO UNAS ESTRATEGIAS PARA, DADOS UNOS COSTES Y UN PRESUPUESTO, MINIMIZAR EL IMAPCTO PRODUCIDO POR EVENTUALES FALLOS EN UN SISTEMA FT AUMENTANDO LOS RECURSOS. * METRICA CUANTITATIVA PARA LA EVALUACION DE OPTIMIZACION EN WORKFLOS CIENTIFICOS. SE HA PROPUESTO UNA METRICA CUANTITATIVA BASADA EN LA ESTRUCTURA DEL WORKFLOW QUE PERMITE COMPARAR DIFERENTES WORKFLOWS CIENTIFICOS Y CONOCER, A PRIORI, SU POTENCIAL MEJORA PARA OPTIMIZACION BASANDOSE EN CRITERIOS DE USO DE BUFFERS Y ANCHO DE BANDA DE RED. * ESTRATEGIA DE REPARTO DE CARGA PARA MEJORAR EL USO DE ANCHO DE BANDA Y LOS BUFFERS EN TAREAS DE WORKFLOWS CIENTIFICOS. EN EL CONTEXTO DE WORKFLOWS CIENTIFICOS, SE HA PROPUESTO UNA ESTRATEGIA QUE PERMITE MEJORAR EL USO DE ANCHO DE BANDA Y LOS BUFFERS DE ENTRADA ENLAS TAREAS. ESTA MEJORA SE HA CONSEGUIDO MODIFICANDO LA VELOCIDAD DE TRANSMISION (AUMENTANDO O DISMINUYENDO), OBTENIENDO ASI COMO EFECTO COLATERAL UN USO MAS EFICIENTE DEL ANCHO DE BANDA DE LA RED. * UNA HERRAMIENTA PARA ESTIMACION DE RENDIMIENTO Y OPTIMIZACION DE RECURSOS EN REDES DE PETRI. SE HA DESARROLLADO UNA EXTENSION DE LA HERRAMIENTA PIPE, LLAMADA PEABRAIN, QUE PROPORCIONA UNA SERIE DE MODULOS PARA CALCULAR EL RENDIMIENTO Y OPTIMIZACION DE RECURSOS EN REDES DE PETRI. DE HECHO, PEABRAIN PROPORCIONA UN POTENTE FRAMEWORK PARA DESARROLLAR MODULOS QUE USEN TECNICAS DE PROGRAMACION LINEAL SOBRE REDES DE PETRI DE UNA MANERA MUY SENCILLA.